CN108956939B - 一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台及其使用方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台及其使用方法。该试验平台包括翼板、倾斜台、倾斜台顶杆、底板和旋转轴。所述底板和倾斜台整体均为板状结构。所述底板的上表面布置有丝杆。工作时，驱动丝杆，进而带动倾斜台顶杆移动，实现调节倾斜台倾角的作用。该试验平台的使用方法，包括调整翼板转角及结构面板倾角、铺设结构面夹层相似材料、放置预制楔形试块和试验等步骤。该试验平台通过调节倾斜台倾角、翼板转角以及两块翼板的倾角，准确模拟楔形块体任意空间位置条件下的失稳滑动过程，适用工况广泛。试验平台结构简单，制作难度较低，试验操作过程十分简便，适合于推广使用。

Description

一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台及 其使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种失稳滑动物理模型试验平台。

背景技术

岩质高边坡稳定问题涉及水利、交通等一系列重大工程的建设与安全，备受建设有关单位和研究人员的关注，是我国工程地质、岩土工程和公路工程以及其他相关领域的研究热点课题之一。边坡工程中常见的岩体破坏，往往表现为结构面切割而成的结构体的失稳破坏。在岩体稳定性分析中，对结构面组合特征进行研究，分析边坡潜在可动块体的形态、规模和变形特征，是边坡岩体稳定性评价中的一项重要内容。

楔形块体破坏是岩质边坡失稳的一种典型形式，由于其在工程中的重要性而一直受到许多专家和学者的重视。边坡工程中，楔形块体的失稳滑动过程，一般受两组结构面的控制作用，作用过程与其分布形式、组合特征关系密切。因此，两组主控结构面的产状及其夹层材料的力学性状对于上部楔形块体的稳定性状态或失稳滑动过程影响较大。目前，楔形块体失稳机理研究手段主要包括现场岩体力学试验、数值仿真模拟以及室内物理模型试验。其中室内物理模型试验是可靠度较高、操作也较为方便的一种研究技术手段。针对结构面产状及夹层材料力学特征开展楔形块体失稳变形过程物理模型试验，则对试验所用仪器装置提出了较高的要求。要准确模拟不同的结构面产状条件，不仅需要试验装置能够对边坡坡面以及两个主控结构面的倾向和倾角进行准确的调节，而且要能够合理模拟三者之间任意产状的不同的组合形式。目前针对楔形块体失稳变形过程物理模型试验所使用的试验装置，或不能对所模拟地层产状进行准确设置、或试样制作困难、或试验过程繁琐，难以很好的满足模型试验要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台及其使用方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台，包括翼板、倾斜台、倾斜台顶杆、底板和旋转轴。

所述底板和倾斜台整体均为板状结构。所述底板的上表面具有两个倾斜台安装块。所述旋转轴转动设置于两个倾斜台安装块之间。所述倾斜台的一侧端面与旋转轴连接。所述倾斜台的板面上设置有转向轨。所述转向轨为设置在底板的板面上的弧形槽孔。所述弧形槽孔贯穿倾斜台的上下板面。

所述底板的上表面布置有丝杆。所述丝杆包括丝杆螺杆和丝杆螺母。所述丝杆螺杆的一端设置有摇手。所述倾斜台顶杆一端与倾斜台下表面铰接，另一端与丝杆螺母铰接。工作时，驱动摇手旋转，丝杆螺母沿丝杆螺杆移动，进而带动倾斜台顶杆移动，实现调节倾斜台倾角的作用。

所述翼板包括两块可各自围绕翼板开合轴转动的结构面板。所述翼板开合轴一端设置有翼板旋转轴，另一端设置有固定销杆。所述翼板与倾斜台通过翼板旋转轴连接。所述固定销杆穿过转向轨后旋入螺母。工作时，所述翼板可绕翼板旋转轴进行旋转，固定销杆可在转向轨中移动。旋至试验所需翼板转角后，通过拧紧固定销杆螺母进行固定。

所述两块结构面板的下表面均设置有可调节拉杆和翼板顶杆。所述翼板顶杆一端与结构面板下表面铰接。所述可调节拉杆一端与结构面板下表面铰接，另一端与翼板顶杆的杆体铰接。工作时，两块结构面板绕翼板开合轴旋转，调节可调节拉杆和翼板顶杆，翼板顶杆远离结构面板的一端与倾斜台上表面接触，使结构面板固定在工作位置。

进一步，所述底板的下表面设置有若干个可调节地脚。

进一步，所述倾斜台上表面在转向轨位置处设置有转角标尺。

进一步，所述倾斜台安装块位置处设置倾角标尺。

进一步，所述翼板顶杆远离结构面板的一端设置有脚垫。

本发明还公开一种关于上述结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台的使用方法，包括以下步骤：

1)将倾斜台的倾角调至0°，将翼板的转角及结构面板的倾角调整至试验所需的角度并固定。

2)选择结构面夹层相似材料，将其均匀平整的铺设于两块结构面板上表面。

3)将试验所用预制楔形试块置于铺设的夹层材料上部，静置待结构面材料固结。

4)转动摇手，直至楔形试块失稳滑动。立刻停止转动摇手，并记录倾斜台的倾角，同时使用摄像机记录试块失稳滑动过程。

5)重复步骤1)～3)，在结构面板端面使用挡板对试块进行遮挡。在失稳滑动临界倾角的基础上旋转摇手，以等角度差增加倾斜台的试验倾角，抽掉挡板后使用摄像机对滑体位移过程进行记录，并绘制位移过程曲线。

6)改变翼板的转角及结构面板的倾角，得到不同主控结构面产状条件下楔形块体的临界失稳倾角及位移过程曲线。

进一步，预制楔形试块选择质量比66:10:10:14的重晶石粉、石英砂、石膏和水制成。

进一步，步骤2)中，结构面夹层相似材料选择质量比10:7:3的混合砂、黏土、滑石粉配制。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.通过调节倾斜台倾角、翼板转角以及两块翼板的倾角，准确模拟楔形块体任意空间位置条件下的失稳滑动过程，适用工况广泛；

B.通过在翼板上表面铺设不同的结构面夹层相似材料，可以比较容易的模拟不同结构面夹层厚度及材料力学特征条件下的楔形块体失稳滑动过程；

C.试验平台结构简单，制作难度较低，试验操作过程十分简便，适合于推广使用。

附图说明

图1为楔形体示意图；

图2为试验平台主视图；

图3为翼板转角控制驱动机构图；

图4为翼板倾角控制驱动机构图；

图5为楔形试块示意图；

图6为不同倾斜台倾角楔形试块位移过程曲线。

图中：翼板1、结构面板101、翼板开合轴102、可调节拉杆103、翼板顶杆104、倾斜台2、转向轨201、转角标尺202、固定销杆4、翼板旋转轴5、倾斜台顶杆6、底板7、倾斜台安装块701、可调节地脚702、倾角标尺703、丝杆8、丝杆螺杆801、丝杆螺母802、摇手803、旋转轴9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，楔形体是由两条结构面对岩体切割而成，两条结构面的交线为结构面交线。滑移方向沿着两个面发生。两个滑面的产状、抗剪强度参数等方面存在差异，对楔形体的抗滑作用也不同。因此，本实施例针对目前岩坡楔形块体失稳变形物理模拟过程中存在的技术不足，公开一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台，可模拟楔形块体不同空间位置条件下以及结构面夹层不同厚度和材料力学特征条件下的楔形块体失稳滑动过程。

参见图2，结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台包括翼板1、倾斜台2、倾斜台顶杆6、底板7和旋转轴9。

所述底板7和倾斜台2整体均为板状结构。所述倾斜台2通过旋转轴9与底板7连接。所述底板7的上表面具有两个倾斜台安装块701。所述旋转轴9转动设置于两个倾斜台安装块701之间。所述底板7的下表面设置有4个可调节地脚702。通过调节可调节地脚702的高度，可使试验平台处于水平状态。所述倾斜台2的一侧端面与旋转轴9连接。参见图3，所述倾斜台2的板面上设置有转向轨201。所述转向轨201为设置在底板7的板面上的弧形槽孔。所述弧形槽孔贯穿倾斜台2的上下板面。所述倾斜台2上表面在转向轨201位置处设置有转角标尺202，对翼板1的转角进行示数，翼板转角可旋转角度为-30～30°。

所述底板7的上表面布置有丝杆8。所述丝杆8包括丝杆螺杆801和丝杆螺母802。所述丝杆螺母802套设在丝杆螺杆801杆体上。所述丝杆螺杆801的一端设置有摇手803。所述倾斜台顶杆6一端与倾斜台2下表面铰接，另一端与丝杆螺母802铰接。倾斜台顶杆6受丝杆螺母802位置约束。工作时，驱动摇手803旋转，丝杆螺母802沿丝杆螺杆801移动，进而带动倾斜台顶杆6移动，实现调节倾斜台2倾角的作用。所述倾斜台安装块701位置处设置倾角标尺703，对倾斜台2的倾角进行示数。

参见图4，所述翼板1包括两块结构面板101和翼板开合轴102。所述两块结构面板101通过翼板开合轴102连接，与翼板开合轴102共同组成铰链结构。两块结构面板101可各自围绕翼板开合轴102旋转，互不影响。两块结构面板101分别标记为a和b。所述翼板开合轴102一端设置有翼板旋转轴5，另一端设置有固定销杆4。所述翼板1与倾斜台2通过翼板旋转轴5连接。所述固定销杆4穿过转向轨201后旋入螺母。工作时，所述翼板1可绕翼板旋转轴5进行旋转，固定销杆4可在转向轨201中移动。旋至试验所需翼板转角后，通过拧紧固定销杆螺母进行固定。

所述两块结构面板101的下表面均设置有可调节拉杆103和翼板顶杆104。所述翼板顶杆104一端与结构面板101下表面铰接，另一端设置有脚垫。所述可调节拉杆103一端与结构面板101下表面铰接，另一端与翼板顶杆104的杆体铰接。所述可调节拉杆103的长度可调节。工作时，两块结构面板101绕翼板开合轴102旋转，调节可调节拉杆103和翼板顶杆104，翼板顶杆104远离结构面板101的一端与倾斜台2上表面接触，使结构面板101以可逆方式固定在工作位置。

实施例2：

本实施例还公开一种关于实施例1所述结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台的使用方法，包括以下步骤：

1)参见图5，选择重晶石粉、石英砂、石膏和水按照质量比66:10:10:14进行楔形块体试样的制作。

2)通过调节地脚702使试验平台保持水平。

3)将倾斜台2的倾角调至0°，将翼板1的转角及结构面板101的倾角调整至试验所需的角度并固定。

4)在本实施例中，选择混合砂、黏土、滑石粉作为软弱夹层相似材料，按照质量比10:7:3进行配制(c＝1.69kPa，φ＝18.7°)，并按照干密度1.9g/cm³将其均匀平整的铺设于两块结构面板101之上，铺设厚度均为1cm。

5)将步骤1)预制楔形试块置于铺设的夹层材料上部，保持试块端面与结构面板101的端面平齐，静置待结构面材料固结。

6)转动摇手803，倾斜台2以旋转轴9为中心缓慢抬升，直至楔形试块失稳滑动。立刻停止转动摇手803，并记录倾斜台2的倾角，同时使用摄像机记录试块失稳滑动过程。

7)重复步骤3)～5)，在结构面板101端面使用挡板对试块进行遮挡。在失稳滑动临界倾角的基础上旋转摇手，以等角度差增加倾斜台2的试验倾角，抽掉挡板后使用摄像机对滑体位移过程进行记录，并绘制如图6所示位移过程曲线。

8)改变翼板1的转角及结构面板101的倾角，重复步骤3)～7)得到不同主控结构面产状条件下楔形块体的临界失稳倾角，并汇总为如表1所示表格。

表1

值得说明的是，本实施例使岩质边坡楔形块体失稳滑落试验具有可重复性。通过本实施例，补充试验结果，可使试验具有验证性。

Claims (8)

1.一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台，其特征在于：包括翼板(1)、倾斜台(2)、倾斜台顶杆(6)、底板(7)和旋转轴(9)；

所述底板(7)和倾斜台(2)整体均为板状结构；所述底板(7)的上表面具有两个倾斜台安装块(701)；所述旋转轴(9)转动设置于两个倾斜台安装块(701)之间；所述倾斜台(2)的一侧端面与旋转轴(9)连接；所述倾斜台(2)的板面上设置有转向轨(201)；所述转向轨(201)为设置在底板(7)的板面上的弧形槽孔；所述弧形槽孔贯穿倾斜台(2)的上下板面；

所述底板(7)的上表面布置有丝杆(8)；所述丝杆(8)包括丝杆螺杆(801)和丝杆螺母(802)；所述丝杆螺杆(801)的一端设置有摇手(803)；所述倾斜台顶杆(6)一端与倾斜台(2)下表面铰接，另一端与丝杆螺母(802)铰接；工作时，驱动摇手(803)旋转，丝杆螺母(802)沿丝杆螺杆(801)移动，进而带动倾斜台顶杆(6)移动，实现调节倾斜台(2)倾角的作用；

所述翼板(1)包括两块可各自围绕翼板开合轴(102)转动的结构面板(101)；所述翼板开合轴(102)一端设置有翼板旋转轴(5)，另一端设置有固定销杆(4)；所述翼板(1)与倾斜台(2)通过翼板旋转轴(5)连接；所述固定销杆(4)穿过转向轨(201)后旋入螺母；工作时，所述翼板(1)可绕翼板旋转轴(5)进行旋转，固定销杆(4)可在转向轨(201)中移动；旋至试验所需翼板转角后，通过拧紧固定销杆螺母进行固定；

所述两块结构面板(101)的下表面均设置有可调节拉杆(103)和翼板顶杆(104)；所述翼板顶杆(104)一端与结构面板(101)下表面铰接；所述可调节拉杆(103)一端与结构面板(101)下表面铰接，另一端与翼板顶杆(104)的杆体铰接；工作时，两块结构面板(101)绕翼板开合轴(102)旋转，调节可调节拉杆(103)和翼板顶杆(104)，翼板顶杆(104)远离结构面板(101)的一端与倾斜台(2)上表面接触，使结构面板(101)固定在工作位置。

2.根据权利要求1所述的一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台，其特征在于：所述底板(7)的下表面设置有若干个可调节地脚(702)。

3.根据权利要求1所述的一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台，其特征在于：所述倾斜台(2)上表面在转向轨(201)位置处设置有转角标尺(202)。

4.根据权利要求1所述的一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台，其特征在于：所述倾斜台安装块(701)位置处设置倾角标尺(703)。

5.根据权利要求1所述的一种结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台，其特征在于：所述翼板顶杆(104)远离结构面板(101)的一端设置有脚垫。

6.一种关于权利要求1所述结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将倾斜台(2)的倾角调至0°，将翼板(1)的转角及结构面板(101)的倾角调整至试验所需的角度并固定；

2)选择结构面夹层相似材料，将其均匀平整的铺设于两块结构面板(101)上表面；

3)将试验所用预制楔形试块置于铺设的夹层材料上部，静置待结构面材料固结；

4)转动摇手(803)，直至楔形试块失稳滑动；立刻停止转动摇手(803)，并记录倾斜台(2)的倾角，同时使用摄像机记录试块失稳滑动过程；

5)重复步骤1)～3)，在结构面板(101)端面使用挡板对试块进行遮挡；在失稳滑动临界倾角的基础上旋转摇手，以等角度差增加倾斜台(2)的试验倾角，抽掉挡板后使用摄像机对滑体位移过程进行记录，并绘制位移过程曲线；

6)改变翼板(1)的转角及结构面板(101)的倾角，得到不同主控结构面产状条件下楔形块体的临界失稳倾角及位移过程曲线。

7.一种关于权利要求6所述结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台的使用方法，其特征在于：预制楔形试块选择质量比66:10:10:14的重晶石粉、石英砂、石膏和水制成。

8.一种关于权利要求6所述结构面控制边坡楔形块体失稳滑动物理模型试验平台的使用方法，其特征在于：步骤2)中，结构面夹层相似材料选择质量比10:7:3的混合砂、黏土、滑石粉配制。

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